某電動重卡主減速器傳動系統力學特性仿真分析

陳志超，許煥彬

（韶關學院，智能工程學院，廣東 韶關512005）

齒輪傳動系統是機械傳動設備中最廣泛使用的動力和運動傳輸裝置，其力學特性直接影響到整個機械傳動設備的運行情況。為了改進機械傳輸性能，降低齒輪傳動系統的振動和噪聲，對齒輪傳動動力學振動模型的研究具有重要意義[1-2]。本文以某電動重卡主減速器傳動系統作為研究對象，采用ADAMS軟件對其力學特性進行仿真分析，并獲得嚙合力、周向力、徑向力和軸向力的變化規律。

1 虛擬樣機模型建立

首先，運用三維實體建模軟件SolidWorks2018進行三維建模繪圖，建立電動重型卡車主減速器傳動系統三維實體模型，并將其相應零件相互約束、裝配，如圖1所示。

圖1電動重型卡車主減速器傳動系統三維模型

將三維模型導入ADAMS軟件，通過數據對接窗口，將主減速器中的齒輪尺寸參數以及嚙合關系傳遞到ADAMS環境中。ADAMS動力學模型如圖2所示。在該模型中，高速旋轉的小錐齒輪是主動件，大錐齒輪和第二級傳動的圓柱斜齒輪、差速器等為從動件，故對小錐齒輪添加旋轉運動，其他零件添加從動輪轉動。假定在齒輪傳動過程中，各零件都是剛體，因此在各齒輪摩擦嚙合碰撞中采用impact函數等效模型。由于傳動過程中存在嚙合摩擦力，綜合考慮動摩擦和靜摩擦的共同影響。各零件材料力學特性如表1所示。

表1 材料力學特性

將齒輪上的接觸碰撞近似看成兩變曲率半徑實體的碰撞，由Hertz理論可知[3-4]：

等效變形接觸法向力P和變形量的關系為

其中

仿真中涉及的動力學參數取值，如表2所示。

表2 動力學參數取值

載貨汽車在滿載下行駛，滿載質量19 000 kg，輪胎滾動半徑0.51 m，滾動阻力系數0.013，最高行駛速度120 km/h，滿載后驅動橋分配的質量1.203×106kg。計算得滿載時作用在半軸齒輪的負載力矩為398.03 N·m，行駛在實驗路段時相應的輸入主減速器轉速為（12000× 0.85×360×60）（°）/s。設置仿真時間50 s，步長0.01 s，進行動力學仿真。

2 齒輪嚙合力時頻域分析

兩級齒輪嚙合力的時域和頻域圖如圖3～6所示。由圖3可知，轉動穩定后，第一級齒輪嚙合力呈周期性變化，最大值為3.5×107N，最小值為0 N。在嚙合過程中，嚙合力隨輪齒間的嚙入和嚙出呈周期性波動。其中0.7～1.7 s為嚙出階段，由于接觸面積不斷減少，嚙合力不斷增加，直至極大值；1.7～2.7 s為嚙入階段，由于齒輪接觸面積的不斷增大，嚙合力不斷減小，直至極小值。其中，完全嚙入點的平均嚙合力約為10 000 N，完全嚙出點的平均嚙合力約為17 000 N，如此周而復始不斷波動，不斷嚙入嚙出。

由圖4可知，第一級齒輪嚙合力的頻率主要集中在45 Hz和 90 Hz，還有少量45nHz（n≥ 3且為整數）的分量，說明出現了倍頻現象[5]。45 Hz和90 Hz分別是第一級齒輪的多齒和少齒嚙合傳動頻率。在齒輪嚙合傳動過程中，少齒嚙合由于嚙合面積小，傳動穩定性相對多齒嚙合差，因此在傳動過程中頻率呈現兩種主要頻率，而它們之間的占比則主要取決于傳動嚙合度。

圖3 第一級齒輪嚙合力時域圖

圖4 第一級齒輪嚙合力頻譜圖

由圖5可知，第二級齒輪嚙合力也呈周期性變化，最大值為9.8×107 N，最小值為0 N。與第一級齒輪嚙合過程類似，齒輪接觸力也隨齒輪傳動過程中輪齒間的嚙入和嚙出呈周期性波動。由圖6可知，第二級齒輪嚙合力的頻率主要集中在8 Hz、16 Hz、24 Hz、32 Hz，還有少量 8nHz（n≥5 且為整數）的分量，亦出現倍頻現象。8 Hz和16 Hz分別為第二級齒輪的多齒和少齒嚙合振動頻率。

圖5 第二級齒輪嚙合力時域圖

圖6 第二級齒輪嚙合力頻譜圖

3 齒輪周向力、徑向力、軸向力分析

由圖7、8可知，第一級齒輪周向力呈雙向不對稱周期性變化，最大值為1.8×107N，最小值為0 N；第二級齒輪周向力呈單向周期性變化，最大值為9.8×107N，最小值為0 N。

圖7 第一級齒輪周向力時域圖

圖8 第二級齒輪周向力時域圖

由圖9、10可知，第一級齒輪徑向力呈單向周期性變化，最大值為3.2×107N，最小值為0 N；第二級齒輪徑向力呈雙向不對稱周期性變化，最大值為1.1×107N，最小值為0 N。

圖9 第一級齒輪徑向力時域圖

圖10 第二級齒輪徑向力時域圖

由圖11、12可知，兩級齒輪軸向力均呈雙向對稱周期性變化；第一級齒輪軸向力最大值為1.25×107N，最小值為0 N；第二級齒輪軸向力最大值為3.5×107N，最小值為0 N。

圖11 第一級齒輪軸向力時域圖

圖12 第二級齒輪軸向力時域圖

4 結束語

運用ADAMS軟件對某電動重型卡車主減速器傳動系統的力學特性進行了仿真分析。結果表明，第一級齒輪嚙合力在0～3.5×107N之間快速變化，其頻率主要在45 Hz、90 Hz；第二級齒輪嚙合力在0～9.8×107N之間快速變化，其頻率主要在8 Hz、16Hz、24 Hz、32 Hz；周向力、徑向力和軸向力均呈周期性變化。仿真結果可為主減速器的箱體設計及減振性能的提升提供理論依據。